半导体集成度的持续提升意味着需要在更小空间内完成更多工作，这反过来会产生更多需要散逸的热量。在先进制程芯片和多芯片组件中，散热管理对其功能稳定性和使用寿命至关重要。尽管业界已将大量精力投入到提升电源效率（以降低功耗增长速率），但仅靠这一点远远不够。我们还需要多种技术来推动热量向上、向下及向外传导。值得庆幸的是，多个领域已取得显著进展。
01 更多运算带来更多热量
电路执行运算所需的能量来自电源引脚，但并非所有能量都会转化为有效运算功 —— 部分能量会以热量形式损耗，这些热量必须从源头移除并释放到环境中。对于成功的芯片设计，散热速率必须与能量消耗速率达成平衡。但除了功耗之外，芯片内热量产生的区域面积也需纳入考量：面积越小，功率密度越高，对冷却策略的要求就越严苛。Promex 首席运营官 Dave Fromm 表示：“关键在于尝试从几平方厘米的区域中散除瓦特级热量，单位面积的功率密度已达到惊人的程度。”
硅芯片的最大尺寸受限于光刻掩模版（26×33 毫米），但封装尺寸并无此类上限。不过封装尺寸无法任意设计，部分原因在于业界尚未大规模需求此类大尺寸封装，生产线也未为此做好设备适配。尽管如此，更大的封装尺寸可进一步分散热量，降低功率密度。
Kelly 观察到：“我们并非将所有芯片内容塞进固定尺寸的封装中，封装尺寸在逐步增大，这使得功率密度可能保持稳定或缓慢增长。这与硅芯片不同，后者受限于掩模版尺寸。”
然而，更大的封装可能更易发生翘曲。Amkor 芯片粒 / FCBGA 开发高级总监 YoungDo Kweon 表示：“目前常见的封装尺寸为 60×60 平方毫米，Amkor 已量产 85×85 平方毫米的封装。未来几年，我们将推出超过 100×100 平方毫米的封装，这意味着热应力可能显著增加。”材料的热导率以 W/Km衡量，热传导路径越短，热导率越高。因此，路径中的材料越薄越好。
02 热量在封装中的传导路径
热量主要在有源硅层中产生。在倒装芯片封装中，热量可向上传导 —— 通过体硅至芯片背面并散出封装；也可向下通过各类金属连接端传导至印刷电路板（PCB），某些情况下还可能横向传导，具体取决于应用场景。
Kelly 表示：“以笔记本电脑为例，其散热路径包括芯片背面和主板另一侧；但对于数据中心和高性能设备，通过电路板向下的热传导路径电阻极高，因此 95% 以上的热量会从顶部散出。”
多年来，带内置风扇的散热片一直是高功率封装的标准配置。散热片由铜或铝制成，金属材料的选择取决于散热片后的热传导路径。
铝从封装吸收热量时温度上升更快，这种显著的温度变化使热交换效率更高。Fromm 指出：“对于相同尺寸的散热片，改变铜的温度比改变铝的温度更困难。”
若散热片与空气进行热交换，空气必须保持流动 —— 因为空气是极差的热导体。若散热片通过螺栓连接至其他导热固体，则铜可能更为适用。铜的比热容更高，意味着其可存储更多热量而温度上升幅度小于铝。因此，铜与空气的热交换效率较低，但当连接至其他固体时，能高效将热量传导至后续散热装置。
若计算任务呈突发性（伴随长时间空闲期），铜搭配风扇也能发挥作用，因其有更多时间与空气进行热交换。Fromm 表示：“若工作模式为短时间高强度脉冲 + 长时间停机，铜在长期温度缓冲方面表现更优，而铝会瞬间升温。”
03 热点难题
芯片热点带来另一重挑战。相较于为整个封装配备足以同时处理所有热点的散热能力，热扩散器可在封装内平衡热量分布。传统金属扩散器位于封装内部，可为独立金属块或与芯片形成热连接的金属外壳。
Kelly 表示：“实现高效热扩散的最佳方式是沿垂直方向高效散热。若散热效率足够高，热点将无法持续升温并扩散热量。”
连接扩散器及其他元件的技术是当前研发重点，这类材料被称为热界面材料（TIMs），其作用是确保两表面间形成保形层。Fromm 解释道：“理想情况下，TIM 应像胶水一样固定位置，但若无需支撑元件，也可使用油脂。关键在于消除空气间隙 —— 理想的 TIM 材料需兼具固定性和应力保形性。”
典型封装可能包含两种 TIM，有时称为 TIM I和 TIM II。Kweon 表示：“封装内部存在两个界面：一个是散热片与热扩散器之间的界面，另一个是芯片背面与热扩散器之间的界面。”
图 1：热界面材料的两种典型应用。TIM I 位于芯片与热扩散器之间，TIM II 位于热扩散器（此例中为封装外壳）与散热片之间，箭头指示散热方向。来源：Amkor
04 金属 TIM 的崛起
传统 TIM 主要由聚合物制成，但由于聚合物导热性差，常需掺杂导电添加剂。Fromm 表示：“人们会向聚合物中掺入碳、石墨或各类高导电性金属，金刚石是另一种开始被使用的填充材料，其热活性可能比铜高 5 至 10 倍。”
即便如此，TIM 的导热性仍相对较差，因此保持薄层可缩短热传导路径。对于散热需求约 100 瓦的封装，传统 TIM 已足够有效，但新型芯片和先进封装的散热需求预计达 1000 瓦级别，这对现有材料提出了严峻挑战。
金属 TIM（尤其是铟合金）如今已具备更高热导率。Amkor 发现，改用铟合金可使芯片结温降低超过 10°C。Kweon 指出：“使用聚合物 TIM 时，温度每升高 10°C，芯片寿命通常减半。如今许多客户要求功率超过 400 瓦的芯片使用金属 TIM。”
TIM 受热时的膨胀速率与附着材料不同，因此粘合剂可能比油脂承受更多热应力。这可能成为 Kweon 预计未来几年推出的更大封装面临的问题。他表示：“这意味着若使用聚合物 TIM，芯片边缘的拉伸应力可能导致分层，使其无法正常工作。”
图 2：采用金属 TIM 的模塑 FCBGA。来源：Amkor
05 系统级散热组件
空气流动的冷却能力有限，因此对于高要求的组件，液体正以多种形式应用于散热。用液体包围封装或子系统（沉浸式冷却）可实现比空气更高效的散热。
Kelly 表示：“当功率达到 800 至 1200 瓦（取决于封装结构），风冷系统将无法满足需求，必须转向某种液体冷却方式，使低温液体与芯片直接接触。”
这需要闭环系统 —— 液体从发热组件循环至换热器，冷却后返回。这也会增大芯片与冷却溶液间的温度梯度。Kelly 指出：“这会导致各处应力升高，但好在 IC 封装材料较 10 年前已大幅改进。”
传统液体冷却仅依赖液态介质，而更先进的技术则利用液 - 气两相。Synopsys 高级工程师 Satya Karimajji 表示：“最先进的冷却方法是两相沸腾流。”
沉浸式冷却将液体冷却推向新高度 —— 将整个系统浸入流动液体中，其散热效率远超其他技术。然而，由于系统必须密封以容纳液体，其结构复杂且成本高昂。当前研究重点是寻找最高效的液体介质。Karimajji 表示：“研究人员正在探索可使用的各类介电流体和制冷剂。”
06 空间受限场景的散热方案
液/气冷却技术还体现在两种不同方案中。蒸汽腔虽非新技术，但作为散热手段正愈发流行。Kweon 表示：“如今许多客户正转向在封装顶部配备冷板的蒸汽腔方案。”
蒸汽腔以密封腔体取代金属块，腔内含蒸汽，一侧接触芯片，另一侧接触冷却板。这类两相系统中，热源作为蒸发器，冷端作为冷凝器，内部通常包含某种吸液芯材料，用于将冷凝液送回蒸发器。
Karimajji 表示：“假设热量集中在小区域，而我们希望将热量扩散至更大区域，[蒸汽腔] 可增强散热片基座的温度均匀性。”
在笔记本电脑和手机等缺乏散热片空间的系统中，热管可将热量从热源传导至更远位置。冷凝液通过毛细作用流向蒸发器，推动蒸汽从另一侧流动，系统依靠产生的热量驱动。
Karimajji 举例：“若笔记本电脑的 CPU 附近无足够空间安装风扇，可通过热管将 CPU 顶部的热量传导至笔记本边缘，再在边缘安装风扇。优势在于无需泵体。”
尽管冷却能力适中，热管的最大优势在于尺寸。Karimajji 指出：“仅靠热管可能不足以冷却 GPU。” 这类结构中使用的液体通常为去离子水，但根据工作温度也可使用制冷剂。
07 封装盖的取舍
封装盖可为内部组件提供保护和机械稳定性，但暴露芯片背面则为不同冷却技术创造了可能。
Kelly 表示：“封装盖有助于散热，从而提升整体散热性能；此外，在测试过程中，封装盖作为保护结构至关重要 —— 功能测试或系统级测试的机械插拔过程非常严苛，因此使用封装盖的客户很看重这一点。无封装盖时，客户始终会担心测试中的机械完整性。”
一种正在研发的冷却技术是水冲击冷却 —— 直接向无盖芯片的背面喷射水流。
Kelly 解释：“直接向硅片顶部喷水，比将水容纳在某种水套中能散除更多热量。水不发生相变，但硅片表面的水边界层变得极薄，因此热阻极低。”
对于无封装盖支撑的芯片，可在基板边缘放置环形加强件，以提供刚度并缓解温度变化导致的翘曲。
更前沿的技术是微流控散热，即通过内部微通道使冷却剂流动。液体不再仅包围封装，而是流经通道并从内部吸收热量。
Karimajji 描述：“微尺度散热片包含两部分：一部分位于 CPU 模块顶部，另一部分是带风扇的散热片，两者通过液体回路连接。液体流经 CPU 模块吸热，然后进入称为‘散热器’的冷却槽，散热片在此处将热量释放到环境中，冷流体再被泵回 CPU 模块。”
这对硅片堆叠的冷却尤为重要 —— 堆叠顶部的芯片可轻松向环境散热，而中间的芯片必须通过堆叠传导热量。微通道为中间芯片提供了更高效的散热路径，代价是系统复杂度和成本的上升。
目前这些系统主要为单相散热。Karimajji 补充：“业界正尝试将两相系统从研发阶段推向商用。”
08 热量向 PCB 传导的路径
热量向 PCB 及系统其他部分传导的路径更为复杂。自然散热路径包括芯片与基板的界面（即芯片黏接层）以及从芯片延伸至 PCB 连接端的金属引线。
在先进封装中，并非所有引线都延伸至封装外部：内部信号引线在封装内组件间传递热量，而外部引线可能需先经过中介层或硅桥才能到达基板。
Karimajji 表示：“中介层可达六层，但若仍不足，从封装顶部散热是另一种并行路径。”
更高导热性的共晶合金可改善芯片黏接层的热传导，引线也发挥重要作用。
Fromm 指出：“金属密度有助于散热，接地连接和平面层对此有益。然而，若芯片的高互连区域正是热源，则其成为净热原而非散热端。”
Synopsys 产品管理总监 Keith Lanier 表示：“芯片最高温度取决于 [互连] 凸点的密度。使用 EDA 优化工具可调整凸点密度，从而影响芯片最高温度。”
09 新型焊料与基板
焊料类型同样关键，金锡焊料在这方面表现优异。Fromm 表示：“标准焊料的热导率约为 20-30 W/mK，金锡焊料约为 60 W/mK，性能提升三倍。”
烧结银也受到关注，尤其在功率器件领域。Fromm 介绍：“这类材料为膏状，像环氧树脂一样涂覆，烧结后热导率极高 —— 可达 70-100 甚至 150 W/mK。”
据 Kweon 透露，Amkor 也在研发铜引线连接技术，但铜材料加工难度更高，需更精细的工艺控制，导致成本上升。Fromm 表示：“铜连接可行，但表面必须极洁净且氧化层需严格控制，因此需在惰性气氛中操作。这与铜基芯片间混合键合面临的挑战类似。”
无论通过引线还是芯片黏接层，所有潜在散热路径在到达 PCB 前都需经过基板。标准有机基板的导热性一般，但未来可能出现更高热导率的陶瓷基板。
Fromm 表示：“在我看来，理想方案是高密度、高导热性陶瓷基板，既能散热又能提供足够的 I/O 密度。”
此类基板成本将高于有机基板，但其比有机基板更平整、更坚硬，可提升生产良率。Fromm 推测：“或许组装良率将推动经济平衡 —— 即使基板成本更高，若能以更高良率制造或获得更高性能，可能仍具性价比。”
10 侧向散热路径
从芯片侧面散热为冷却增加了新路径。尽管单个芯片可能因过薄而效果有限，但芯片堆叠可通过侧向路径散热，且无需承担微流控技术的成本与复杂度。一种方法是模塑倒装芯片球栅阵列（FCBGA）。
在标准 FCBGA 中，组件周围是空气；而模塑 FCBGA 中，该空间填充导热模塑化合物，使热量可从堆叠中的芯片侧向传导。
Kweon 解释：“在芯片堆叠中，被夹在中间的芯片缺乏有效散热路径，因为封装内芯片周围的空气是极差的热导体。” 模塑材料取代空气，改善了侧向热传导路径。
随着先进硅制程应力的增加，这一技术愈发重要。Kweon 补充：“硅制程即将进入 2nm，此时层间电介质非常脆，模塑 FCBGA 可降低热应力屏障。”
图 3：模塑 FCBGA。模塑材料取代封装内的空气，改善侧向散热路径。来源：Bryon Moyer
11 多元化散热方案的演进
随着芯片和封装产热持续增加，散热方案的数量也在不断增长。鉴于封装内组件间的复杂相互作用，组装技术的变革往往是渐进式的。即便存在革命性新系统，也不太可能完全取代现有方案 —— 因此，我们所见的各类技术将以不同组合持续演进。
早期设计规划至关重要。Synopsys SoC 工程高级总监 Shawn Nikoukary 表示：“我们确实看到更多前期工作，包括架构探索甚至 RTL 层级的优化。我们必须影响芯片架构以实现最佳散热性能，架构阶段投入越多，后期工作就越轻松。”
同时，不应忽视应用场景决定的成本上限。Kelly 指出：“数据中心倾向于采用相当前沿的解决方案，因其市场更能承担成本；但对于笔记本、台式机或其他边缘设备，我们必须谨慎控制成本并高效散热。”
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